Достижения наук о жизни с позиции термодинамики

Иерархическая термодинамика, созданная на фундаменте классической термодинамики, изучает явление жизни и ее эволюцию

Абстракт

Подводится итог исследований, выполненных в последние десятилетия в области квазиравновесной термодинамики применительно к наукам о жизни. Цель заметки ознакомить читателя с достижениями термодинамики для осознания явления жизни и ее эволюции. Статья представляет сжатую информацию об указанных достижениях. Она, прежде всего, преследует образовательную цель. Осознание статьи позволит подготовленному читателю легко разобраться в предмете, которому посвящены многочисленные исследования автора.

Исследования возникновения жизни, ее эволюции и развития организмов опираются на следующие положения и экспериментально обоснованные утверждения.

1. Изучение жизни, как явления, существенно упрощается, если рассматривать живые системы и их эволюцию с позиции структурообразования, приводящего к появлению хорошо известных иерархических систем, которые возникают вследствие цепной конденсации структур каждой низшей иерархии с образованием структур высших иерархий.
Такая последовательная конденсация представляет собой «структурный коллапс живой материи», последовательно объединяющий молекулы, супрамолекулярные структуры, клетки, организмы, популяции и другие структуры, возникающие в результате самосборки. Структурный коллапс живой материи, развивается под действием иерархической термодинамики и представляет собой процесс, обратный цепной разветвленной реакции. В некотором ограниченном смысле он напоминает гравитационный коллапс (сжатие), протекающий под действием сил гравитации. Внутри каждой иерархии одна из стадий упомянутого коллапса аналогична кристаллизации вещества, сопровождающейся образованием новой фазы. С этой точки зрения развитие живой системы является процессом иерархического фазообразования.

Структурные иерархии материи

2. Выявлен закон временных´ (temporal) иерархий, утверждающий существование несоизмеримости времен жизни (времен разделенных сильными знаками неравенства) иерархических структур, существующих в живом мире.
Закон временных иерархий дает возможность использовать методы квазиравновесной термодинамики (термодинамики систем близких к равновесию) и в линейном приближении проводить термодинамические исследования в каждой индивидуальной иерархии, а также во взаимодействующих (смежных) иерархиях.

3. Сформулирован принцип стабильности вещества. Суть принципа состоит в том, что каждая «элементарная» частица или структура любой иерархии (атом, молекула, органелла, клетка, организм, популяция и т.д.) имеет потенциально термодинамически ограниченную возможность одновременно участвовать в контактах с подобными структурами своей иерархии и структурами смежных иерархий. Если рассмотреть молекулярную (химическую) и супрамолекулярную иерархии, то можно утверждать, что чем более стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем менее стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. И наоборот: чем менее стабильны внутримолекулярные химические связи в молекулах, тем более стабильны супрамолекулярные связи между этими молекулами. Принцип справедлив для структур всех смежных иерархических уровней. Он устанавливает динамические связи (контакты) между иерархиями и определяет обмен веществ в живых системах.

Ржавчина в природе образуется в открытой системе. Процессы ее образования описываются равновесной термодинамикой.

4. Известно, что живые системы являются открытыми на больших временах динамическими системами, химический и супрамолекулярный состав которых меняется в эволюции (филогенезе и онтогенезе) в квазиравновесных режимах. Подобно этому меняется состав высших иерархий. Указанный открытый характер систем не является препятствием для использования методов равновесной термодинамики. В каждой иерархии можно выделять квазизакрытые квазиравновесные системы, поскольку они находятся в окружающей среде высших иерархий, являющихся термостатами для структур низших иерархий. Представлены многочисленные доказательства того, что изменение химического состава и состава других иерархий в эволюции, филогенезе и онтогенезе имеет термодинамическое происхождение.

5. Утверждается, что природа ищет минимумы удельных значений функции Гиббса (свободной энергии) образования структур всех иерархий. Это наблюдается в эволюции, филогенезе и онтогенезе (при старении организмов). Показано, что движущей силой эволюции является термодинамика сложных систем (систем, в которых совершаются различные виды работы), самопроизвольных и несамопроизвольных процессов.

6. Взаимодействие иерархических структур определяется прямыми и обратными динамическими связями. Скорости передачи прямой и обратной информации (например, «ДНК → популяция» и обратно «Популяция → ДНК») существенно различается. Это позволяет сделать выводы о том, что Ч. Дарвин и Ж.Б. Ламарк правы оба, а «догма Крика» является грубым приближением.

7. При эволюции и развитии живых систем природа использует квазиравновесные хроматографические и другие методы разделения структур (молекул, клеток, организмов и т.д. ), которые участвуют в этих процессах.

8. Уравнения классической термодинамики в квазиприближении можно применять для оценки степени старения организмов, создания антистарительных диет, пищевых добавок и лекарств. Утверждается, что явления тропизмов, поведение живых систем, как правило, могут быть термодинамически описаны на количественном уровне.

Любовный тропизм.

Любовь связана с взаимодействием многочисленных молекулярных и супрамолекулярных рецепторов различной природы.

9. Представлено «символическое» уравнение для полного дифференциала функции Гиббса, которое может быть использовано при исследовании процессов, протекающих в  разных иерархиях при участии различных физических сил и полей, определяющих поведение и преобразования на выделенных независимых иерархических уровнях.

10. Иерархическая термодинамика позволяет изучать возникновение жизни (как процесс плавного перехода неживой материи в живую материю), определение которой можно давать с различных позиций. Однако общим в определениях жизни является появление супрамолекулярных и других высших иерархических структур. Одно из таких определений гласит: «Жизнь — явление существования пространственно выделенных обновляющихся полииерархических структур, образующихся при участии физических сил и полей в круговороте лабильного химического вещества в присутствии жидкой воды на планете».

Символическое изображение. Душа как совокупность физических полей мозга.

11. Иерархическая термодинамика должна оптимизировать сельское хозяйство, физиологию и, медицину.

P.S. Результаты оригинальных последних исследований (2008-2011) представлены в рецензированных журналах и в Интернете (например, в Knol: knol.google.com/k/georgi-gladyshev/термодинамика-и-возникновение-жизни/169m15f5ytneq/15 и др. ), а также в ранее изданных монографиях и обзорных работах:
1. Гладышев Г.П. Движущая сила биологической эволюции. // Вестник РАН, 1994. т. 64, N3, с. 221. (Gladyshev G.P. А Motive Force of Biological Evolution. // Herald of the Russian of Sci., 1964. v. 64, N 2, P. 118 ).
2. Гладышев Г.П. Термодинамика и макрокинетика природных иерархических процессов. М.: Наука,1988. – 287 с.
3. Гладышев Г.П. (1995). Термодинамика иерархических систем. М. : Химическая энциклопедия. т. 4, с. 1062. www.xumuk.ru/encyklopedia/2/4371.html
4. Гладышев Г.П. Термодинамическая теория эволюции живых существ. М.: Луч, 1996
5. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.
6. Гладышев Г.П. Супрамолекулярная термодинамика – Ключ к осознанию явления жизни. Издание второе – М — Ижевск. ISBN: 59397-21982. 2003.
7. Gladyshev G.P. Thermodynamic self-organization as a mechanism of hierarchical structures formation of biological matter // Progress in Reaction Kinetics and Mechanism (An International Review Journal. UK, USA ). 2003. Vol. 28. P. 157-188.
8. Gladyshev G.P. Macrothermodynamics of Biological Evolution: Aging of Living Beings // International Journal of Modern Physics B (World Scientific Publishing Company). Vol.18. No. 6. 2004. P. 801- 825.

Примечание
Основные недоразумения в понимании эволюции с позиции физики и физической химии, как правило, связаны с неверными представлениями об энтропии. Этот термин ввел Рудольф Клаузиус. Свое «модельное» представление о мире (Вселенной) он представил в виде высказывания: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремиться к максимуму». В дальнейшем это высказывание Дж. У. Гиббс выбрал в качестве эпиграфа к работе «О равновесии гетерогенных веществ» Упомянутые ученые сделали приведенное высказывание применительно к своей модели Вселенной. Эта модель соответствует простой изолированной системе идеального газа, т.е. изолированной системе идеального газа, энергия и объем которой постоянны и в которой не совершается никакой работы, кроме работы расширения. Энтропия такой системы может только возрастать! Однако любители науки и дилетанты распространили это утверждение на системы других типов, в которых имеет место взаимодействие между частицами (молекулами или объектами других иерархий) и которые (системы) взаимодействуют с окружающей средой. Подобных ошибок не избежали некоторые ученые, не являющиеся профессионалами в соответствующих областях знания. Это привело к невообразимой путанице и затормозило, более чем на столетие, развитие науки. Появились сотни тысяч публикаций в научных журналах и популярной литературе, содержащие отмеченные недоразумения. К этим недоразумениям прибавились некорректные представления о негоэнтропии и «диссипативных структурах в живом мире».
Возникновение жизни и ее эволюция легко объяснимы с позиции иерархической термодинамики близких к равновесию динамических систем. Эта термодинамика создана на прочном фундаменте классической (равновесной) термодинамики – термодинамики Рудольфа Клаузиуса, Дж. У. Гиббса и других великих творцов.

• биология
• эволюция
• образование
• наука
• жизнь